復(fù)合材料結(jié)構(gòu)沖擊失效判定方法

周秋萍 熊鈴華 張克武

摘要：針對(duì)汽車(chē)底部復(fù)合材料結(jié)構(gòu)受沖擊失效難以直接測(cè)量的問(wèn)題，利用數(shù)值仿真技術(shù)分析復(fù)合材料結(jié)構(gòu)受沖擊物擊打變形的規(guī)律，提出通過(guò)應(yīng)變區(qū)域范圍判斷結(jié)構(gòu)失效的方法。該方法通過(guò)遠(yuǎn)端應(yīng)變反映打擊點(diǎn)附近的應(yīng)變。復(fù)合材料平板沖擊失效案例說(shuō)明該判定方法所測(cè)應(yīng)變準(zhǔn)確，且不需要大量程應(yīng)變片，測(cè)試簡(jiǎn)單方便、成本低。

關(guān)鍵詞：復(fù)合材料; 沖擊; 失效; 應(yīng)變; 區(qū)域范圍

中圖分類號(hào)：U465.6;TB115.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

Failure determination method on impact of composite structure

ZHOU Qiuping1， XIONG Linghua2， ZHANG Kewu1

（1. Institute of Industry Technology， Guangzhou & Chinese Academy of Sciences， Guangzhou 511458， China;

2. Guangzhou GRG Metrology & Test Co.， Ltd.， Guangzhou 510630， China）

Abstract：

As to the issue that the impact failure of compositestructures at automobile bottom is difficult to measuring directly， the deformation rule of composite structures subjected to impact is analyzed using numerical simulation technology. A method to judge structural failure using strain domain range is presented. By this method， the strain near impacting point is reflected by the strain at far distance. The impacting failure case of composite plate shows that the strain measured by this method is accurate， and it does not need large range strain gauge， which can make the test more simple and convenient， and that means low cost.

Key words：

composite; impact; failure; strain; domain range

收稿日期：2019-07-29

修回日期：2019-08-28

作者簡(jiǎn)介：

周秋萍（1984—），女，廣東廣州人，助理研究員，研究方向?yàn)楣腆w力學(xué)，（E-mail）zhouqp@gziit.ac.cn

0?引?言

在汽車(chē)高速行駛的過(guò)程中，不可避免會(huì)濺起路面上散落的石子。這些飛濺起的碎石擊打在汽車(chē)底部，會(huì)造成汽車(chē)底部結(jié)構(gòu)發(fā)生損傷破壞，影響汽車(chē)的安全性能。汽車(chē)底部時(shí)常會(huì)采用一些復(fù)合材料，這些復(fù)合材料幾乎沒(méi)有塑性變形階段[1]，所以合理判斷其結(jié)構(gòu)的失效就顯得非常重要[2-3]。飛石沖擊結(jié)構(gòu)件發(fā)生破壞屬于局部沖擊破壞[4]，

很難通過(guò)直接測(cè)量打擊點(diǎn)附近的應(yīng)變判定結(jié)構(gòu)是否失效[5]，而且直接測(cè)量損傷是最繁瑣低效的方法[6]。因此，提出一種通過(guò)遠(yuǎn)端應(yīng)變反映打擊點(diǎn)附近應(yīng)變的方法，結(jié)果所測(cè)應(yīng)變準(zhǔn)確，且不需要大量程應(yīng)變片，測(cè)試簡(jiǎn)單方便且成本較低。

1?結(jié)構(gòu)受飛石沖擊應(yīng)變分布規(guī)律

1.1?模型建立

采用HyperMesh進(jìn)行建模，選擇LS-DYNA作為求解器。受打擊結(jié)構(gòu)采用六面體劃分網(wǎng)格，并在打擊點(diǎn)位置進(jìn)行網(wǎng)格局部細(xì)分，飛石為剛體材料，直接劃分為四面體網(wǎng)格。

飛石與受打擊結(jié)構(gòu)之間的接觸方式采用Automatic_Surface_to_Surface，接觸打擊區(qū)域采用Segment方式設(shè)置。

受打擊物取復(fù)合材料平板，平板四周固定端約束所有自由度。飛石質(zhì)量為32.6 g，直接施加初始速度，飛石打擊方向垂直于復(fù)合材料平面，飛石打擊復(fù)合材料平板有限元模型見(jiàn)圖1。

1.2?材料本構(gòu)

LS-DYNA提供豐富的材料庫(kù)，含有300多種材料本構(gòu)模型。試驗(yàn)中復(fù)合材料平板采用*MAT_PIECEWISE_LINEAR_PLASTICITY材料模型，材料的彈性模量取3 100.0 MPa，泊松比取0.4，屈服應(yīng)力取27.8 MPa，材料的塑性段應(yīng)力-應(yīng)變曲線見(jiàn)圖2。

1.3?仿真分析結(jié)果

飛石的速度分別取15、20、25、30、35和40 m/s，平板最大主應(yīng)變大于1%的區(qū)域見(jiàn)圖3，飛石速度與主應(yīng)變大于1%區(qū)域半徑的關(guān)系見(jiàn)圖4。

2?結(jié)構(gòu)沖擊失效判定方法

分析結(jié)構(gòu)受飛石沖擊應(yīng)變分布規(guī)律可知，在材料給定的情況下，局部沖擊破壞變形隨著其與打擊點(diǎn)距離的增大而減小，大于設(shè)定應(yīng)變值的應(yīng)變區(qū)域隨著沖擊程度增大而增大。

大于設(shè)定應(yīng)變值的應(yīng)變范圍與損傷程度存在對(duì)應(yīng)關(guān)系，該范圍大到一定程度時(shí)說(shuō)明材料內(nèi)部發(fā)生損傷。在打擊點(diǎn)局部依靠應(yīng)變片測(cè)量應(yīng)變非常困難，可通過(guò)應(yīng)變區(qū)域大小判定損傷程度。

結(jié)構(gòu)受飛石沖擊時(shí)，飛石質(zhì)量m、飛石速度v、受打擊材料彈性模量E和材料失效應(yīng)變?chǔ)?不同時(shí)，受打擊結(jié)構(gòu)會(huì)有不同的應(yīng)變分布。通過(guò)這一分布可以得到大于某一應(yīng)變的區(qū)域范圍，用該區(qū)域范圍衡量結(jié)構(gòu)的損傷程度。該區(qū)域范圍可以用2個(gè)尺度d和w進(jìn)行衡量，應(yīng)變?chǔ)?ε1的區(qū)域范圍表示為d1?和w1?，見(jiàn)圖5。d1?和w1?都是飛石質(zhì)量m、飛石速度v、受打擊材料彈性模量E和材料失效應(yīng)變?chǔ)?的函數(shù)。

設(shè)結(jié)構(gòu)失效時(shí)飛石速度為v=v0，則d1?=f（m，E，ε0，v0），w1?=g（m，E，ε0，v0）。

根據(jù)試驗(yàn)測(cè)得應(yīng)變大于ε1的區(qū)域范圍d1?和1?，如果d1?>d1?、1?>w1?，可認(rèn)為結(jié)構(gòu)受飛石沖擊失效。

3?結(jié)構(gòu)失效判定方法案例

以圖1復(fù)合材料平板沖擊失效案例說(shuō)明結(jié)構(gòu)失效判定方法。材料失效應(yīng)變?nèi)?%，由于大部分應(yīng)變片量程為20 000×10-6?，取大于2%應(yīng)變的區(qū)域范圍衡量結(jié)構(gòu)是否失效。數(shù)值仿真分析可以得到打擊速度為28.5 m/s時(shí)結(jié)構(gòu)最大主應(yīng)變?yōu)?%，結(jié)構(gòu)發(fā)生失效。失效臨界工況平板最大主應(yīng)變計(jì)算結(jié)果云圖見(jiàn)圖6，平板x向應(yīng)變大于2%區(qū)域范圍的應(yīng)變?cè)茍D見(jiàn)圖7。

通過(guò)上述分析可知，m=32.6 g飛石擊打材料彈性模量為3 100 MPa、失效應(yīng)變?yōu)?%的平板時(shí)，失效臨界工況x向應(yīng)變大于2%區(qū)域的尺度d=16.3mm，w=6.7 mm。

根據(jù)試驗(yàn)可測(cè)得應(yīng)變大于2%的區(qū)域范圍d2%?和2%?，如果d2%?>16.3 mm、2%?>6.7 mm，可認(rèn)為結(jié)構(gòu)受飛石沖擊失效。

4?結(jié)束語(yǔ)

與金屬相比，復(fù)合材料具有剛度低、各向異性、易成型、基本無(wú)塑性變形等特點(diǎn)，針對(duì)復(fù)合材料的自身特點(diǎn)進(jìn)行構(gòu)件設(shè)計(jì)、對(duì)相關(guān)構(gòu)件的沖擊失效模式和相關(guān)的失效判定標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行研究有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。本文提出通過(guò)應(yīng)變區(qū)域范圍判斷結(jié)構(gòu)失效的方法，是通過(guò)遠(yuǎn)端應(yīng)變反映打擊點(diǎn)附近應(yīng)變的方法。該方法所測(cè)應(yīng)變準(zhǔn)確，且不需要大量程應(yīng)變片，測(cè)試簡(jiǎn)單，成本低，預(yù)期成果實(shí)用性強(qiáng)，可完善結(jié)構(gòu)失效判定方法，有較好的工程應(yīng)用與市場(chǎng)前景。

參考文獻(xiàn)：

[1]沈觀林， 胡更開(kāi)， 劉彬. 復(fù)合材料力學(xué)[M]. 2版. 北京： 清華大學(xué)出版社， 2013： 10-200.

[2]張丹丹， 孫耀寧， 王雅. 多軸向玻璃纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料的破壞特性和損傷機(jī)制[J]. 復(fù)合材料學(xué)報(bào)， 2017， 34（2）： 381-388. DOI： 10.13801/j.cnki.fhclxb.20160606.004.

[3]劉淼. 玻纖增強(qiáng)塑料斷裂失效試驗(yàn)與仿真研究[J]. 上海汽車(chē)， 2018（6）： 50-53. DOI： 10.3969/j.issn.1007-?4554.2018.06.10.

[4]余同希， 邱信明. 沖擊動(dòng)力學(xué)[M]. 北京： 清華大學(xué)出版社， 2011： 10-200.

[5]尹福炎. 航空-?航天飛行器結(jié)構(gòu)試驗(yàn)與應(yīng)變測(cè)量技術(shù)一本通[M]. 北京： 國(guó)防工業(yè)出版社， 2013： 10-200.

[6]朱宏平. 結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)的智能方法[M]. 北京： 人民交通出版社， 2009： 10-200.

（編輯?武曉英）